高层建筑荷载与地震作用

第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用[例题] 某高层建筑剪力墙结构，上部结构为38层，底部1-3层层高为4m,其他各层层高为3m ，室外地面至檐口的高度为120m ，平面尺寸为m m 4030⨯，地下室采用筏形基础，埋置深度为12m ，如图3.2.4(a)、(b)所示。

已知基本风压为2045.0m kN w =，建筑场地位于大城市郊区。

已计算求得作用于突出屋面小塔楼上的风荷载标准值的总值为800kN 。

为简化计算，将建筑物沿高度划分为六个区段，每个区段为20m ，近似取其中点位置的风荷载作为该区段的平均值，计算在风荷载作用下结构底部（一层）的剪力和筏形基础底面的弯矩。

解：（1）基本自振周期：根据钢筋混凝土剪力墙结构的经验公式，可得结构的基本周期为： s n T 90.13805.005.01=⨯==222210m s kN 62.19.145.0T w ⋅=⨯=（2）风荷载体型系数：对于矩形平面，由附录1可求得80.01=s μ57040120030480L H 0304802s .....-=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+-=⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=μ （3）风振系数：由条件可知地面粗糙度类别为B 类，由表3.2.2可查得脉动增大系数502.1=ξ。

脉动影响系数ν根据H/B 和建筑总高度H 由表3.2.3确定，其中B 为迎风面的房屋宽度，由H/B=3.0可从表3.2.3经插值求得=ν0.478；由于结构属于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，可近似采用振型计算点距室外地面高度z 与房屋高度H 的比值，即H H i /z =ϕ，i H 为第i 层标高；H 为建筑总高度。

则由式（3.2.8）可求得风振系数为：HH 478050211H H 11iz i z ⋅⨯+=⋅+=+=μμξνμϕνξβ.. z z z（4）风荷载计算：风荷载作用下，按式（3.2.1）可得沿房屋高度分布的风荷载标准值为：()z z z z ....)z (q βμβμ6624=40×570+80×450=按上述公式可求得各区段中点处的风荷载标准值及各区段的合力见表3.2.4，如图3.2.4(c)所示。

三、结构设计基本规定3．8．1 高层建筑结构构件的承载力应按下列公式验算：持久设计状况、短暂设计状况γ0S d≤R d(3．8．1—1)地震设计状况S d≤R d／γRE (3．8．1—2)式中：γ0——结构重要性系数，对安全等级为一级的结构构件不应小于1.1，对安全等级为二级的结构构件不应小于1.0；S d——作用组合的效应设计值，应符合本规程第5．6．1～5．6．4条的规定；R d——构件承载力设计值；γRE——构件承载力抗震调整系数。

3．9．1 各抗震设防类别的高层建筑结构，其抗震措施应符合下列要求：1 甲类、乙类建筑：应按本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施，但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施；当建筑场地为I类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。

2 丙类建筑：应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施；当建筑场地为I类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施3．9．3 抗震设计时，高层建筑钢筋混凝土结构构件应根据抗震设防分类、烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。

A级高度丙类建筑钢筋混凝土结构的抗震等级应按表3．9．3确定。

当本地区的设防烈度为9度时，A级高度乙类建筑的抗震等级应按特一级采用，甲类建筑应采取更有效的抗震措施。

注：本规程“特一级和一、二、三、四级”即“抗震等级为特一级和一、二、三、四级”的简称。

3．9．4 抗震设计时，B级高度丙类建筑钢筋混凝土结构的抗震等级应按表3.9.4确定。

四、荷载和地震作用4．2．2 基本风压应按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定采用。

对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用。

4．3．1 各抗震设防类别高层建筑的地震作用，应符合下列规定：1 甲类建筑：应按批准的地震安全性评价结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定；2 乙、丙类建筑：应按本地区抗震设防烈度计算。

第9章 荷载效应组合及设计要求1．什么是荷载效应？什么是荷载效应组合？一般用途的高层建筑结构承受哪些何载？答：所谓荷载效应，是指在某种荷载作用下结构的内力或位移。

按照概率统计和可靠度理论把各种荷载效应按一定规律加以组合，就是荷载效应组合。

一般用途的高层建筑结构承受的竖向荷载有结构、填充墙、装修等自重（永久荷载）和楼面使用荷载、雪荷载等（可变荷载）；水平荷载有风荷载及地震作用。

各种荷载可能同时出现在结构上，但是出现的概率不同。

2．如何考虑荷载效应的组合？分项系数与组合系数各起何作用？答：通常，在各种不同荷载作用下分别进行结构分析，得到内力和位移后，再用分项系数与组合系数加以组合。

《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001，以下简称为《荷载规范》）上给出的自重及使用荷载、雪荷载等值，以及风荷载及地震等效荷载值都称为荷载标准值。

各种标准荷载独立作用产生的内力及位移称为荷载效应标准值，在组合时各项荷载效应应乘以分项系数及组合系数。

分项系数是考虑各种荷载可能出现超过标准值的情况而确定的荷载效应增大系数，而组合系数则是考虑到某些荷载同时作用的概率较小，在叠加其效应时要乘以小于1的系数。

例如，风荷载和地震作用同时达到最大值的概率较小，因此在风荷载和地震作用组合时，风荷载乘以组合系数0.2。

3．如何选择控制截面及最不利内力类型答：在构件设计时，要找出构件设计的控制截面及控制截面上的最不利内力，作为配筋设计的依据。

首先要确定构件的控制截面，其次要挑选这些截面的最不利内力。

所谓最不利内力，就是使截面配筋最大的内力。

控制截面通常是内力最大的截面，但是不同的内力（如弯矩、剪力）并不一定在同一截面达到最大值，因此一个构件可能同时有几个控制截面。

对于框架横梁，其两端支座截面常常是最大负弯矩及最大剪力作用处，在水平荷载作用下，端截面还有正弯矩。

而跨中控制截面常常是最大正弯矩作用处。

在梁端截面（指柱边缘处的梁截面），要组合最大负弯矩及最大剪力，也要组合可能出现的正弯矩。

高层建筑结构的荷载计算高层建筑结构的竖向荷载包括自重等恒载及使用荷载等活载，其计算方法与一般建筑结构类似，在此不再重复。

本章主要介绍在高层建筑结构设计中起主导作用的水平荷载—风荷载和地震荷载作用的计算方法。

第一节 风荷载空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的压力或吸力即建筑物的风荷载。

风荷载的大小主要和近地风的性质、风速、风向有关；和该建筑物所在地的地貌及周围环境有关；同时和建筑物本身的高度、形状以及表面状况有关。

垂直于建筑物表面上的风荷载标准值可按下式计算：0ωµµβωz s z k =式中：k ω为风荷载标准值（kN/m 2）；z β为z 高度处的风振系数；s µ为风荷载体型系数；z µ为风压高度变化系数； 0ω为基本风压（kN/m 2）。

1. 基本风压0ω我国《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001），《全国基本风压分布图》中给出的基本风压值0ω，是用各地区空旷地面上离地10m 高、重现期为30年的10min 平均最大风速0υ（m/s ）计算得到的，基本风压值1600/200υω=（kN/m 2）。

荷载规范给出的0ω值适用于多层建筑；对于一般高层建筑和特别重要的或有特殊要求的高层建筑可按《全国基本风压分布图》中的数值分别乘以1.1和1.2采用。

2. 风压高度变化系数z µ表1 风压高度变化系数风速大小与高度有关，一般近地面处的风速较小，愈向上风速逐渐加大，但风速的变化与地貌及周围环境有关。

在近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，地面空旷，空气流动几乎无阻挡物（A 类粗糙度），风速随高度的增加最快；在中小城镇和大城市的郊区（B 类粗糙度），风速随高度的增加减慢；在有密集建筑物的大城市市区（C 类粗糙度），和有密集建筑群，且房屋较高的城市市区（D 类粗糙度），风的流动受到阻挡，风速减小，因此风速随高度增加更缓慢一些。

表1列出了各种情况下的风压高度变化系数。

第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用高层建筑结构主要承受竖向荷载和和水平荷载。

恒荷载 风荷载 1) 竖向荷载 2)水平荷载活荷载 地震作用 本章主要内容z 竖向荷载（简介） z 风荷载（重点）z 地震作用（工程结构抗震课介绍此部分内容） 与多层建筑结构有所不同，高层建筑结构：z 竖向荷载效应远大于多层建筑结构；z 水平荷载的影响显著增加，成为其设计的主要因素； z 对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。

3.1 竖向荷载3.1.1 恒荷载1）恒荷载是指各种结构构件自重和找平层、保温层、防水层、装修材料层、隔墙、幕墙及其附件、固定设备及其管道等重量，其标准值可按构件尺寸、和材料密度（单位体积或面积的自重）计算确定。

2）材料容重可从《荷载规范》查取；固定设备由相关专业提供。

3.1.2 活荷载 1. 楼面活载1）高层建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，可按《荷载规范》的规定取用。

2）在荷载汇集及内力计算中，应按未经折减的活荷载标准值进行计算，楼面活荷载的折减可在构件内力组合时进行。

2. 屋面活载1）屋面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，可按《荷载规范》的规定取用。

2）有些情况下，应考虑屋面直升机平台的活荷载：（优于五星级酒店的是，七星级酒店将提供秘书式的“管家服务”，辟有直升机停机坪，用直升机和“大奔”接送客人。

）3. 屋面雪荷载1）屋面水平投影面上的雪荷载标准值k s ，应按下式计算：0r k s s μ= （3.1.1）式中：0s 为基本雪压，系以当地一般空旷平坦地面上统计所得50年一遇最大积雪的自重确定，按《荷载规范》取用；μr为屋面积雪分布系数，屋面坡度α≤25°时，μr取1.0，其它情况可按《荷载规范》取用。

2）雪荷载的组合值系数可取0.7；频遇值系数可取0.6；准永久值系数按雪荷载分区Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的不同，分别取0.5、0.2和0。

3）雪荷载不应与屋面均布活荷载同时组合。

构件地震作用效应案例一、引言地震是一种不可预测的自然灾害，对建筑物的破坏性极大。

因此，在建筑物设计和施工中，必须考虑地震作用效应。

构件地震作用效应是指在地震作用下，构件所受到的力和变形等效应。

本文将以某高层建筑为例，详细介绍构件地震作用效应。

二、案例背景该高层建筑位于中国南方某城市，总高度为200米，共有50层。

建筑结构采用钢筋混凝土框架结构。

设计地震烈度为8度。

三、分析过程1. 地震荷载计算根据设计烈度和建筑结构类型，可以计算出该建筑所受到的地震荷载。

按照规范要求进行计算后，得到该建筑在水平方向上所受到的最大地震力为6000kN。

2. 结构分析对于钢筋混凝土框架结构来说，在进行地震分析时需要进行弹塑性分析。

通过有限元方法模拟出结构在不同荷载下的变形和受力情况，并得出各个节点的受力和变形。

3. 构件地震作用效应分析在进行构件地震作用效应分析时，需要考虑到构件所受到的力和变形等因素。

钢筋混凝土框架结构中，柱子、梁和墙体等构件是承担荷载的主要部分。

下面将分别对这些构件进行地震作用效应分析。

（1）柱子柱子是钢筋混凝土框架结构中承担荷载的主要部分之一。

在地震作用下，柱子所受到的力会导致其产生弯曲变形。

同时，在柱子上方的楼板也会因为受到弯曲力而产生一定的位移。

（2）梁梁是连接柱子之间的主要承重构件。

在地震作用下，梁所受到的力会导致其产生剪切变形和弯曲变形。

同时，在梁上方的楼板也会因为受到弯曲力而产生一定的位移。

（3）墙体墙体是钢筋混凝土框架结构中起着支撑和隔断作用的重要部分。

在地震作用下，墙体所受到的力会导致其产生弯曲变形和剪切变形。

同时，墙体上方的楼板也会因为受到弯曲力而产生一定的位移。

四、结论通过对某高层建筑进行构件地震作用效应分析，可以得出以下结论：1. 构件地震作用效应是指在地震作用下，构件所受到的力和变形等效应。

2. 钢筋混凝土框架结构中，柱子、梁和墙体等构件是承担荷载的主要部分。

3. 在地震作用下，柱子、梁和墙体等构件所受到的力会导致其产生弯曲变形、剪切变形等效应。

建筑结构设计：高层建筑结构有哪些设计特
点？
1）水平荷载成为决定性因素。

建筑物自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑物高度成线性关系；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中引起的轴力，是与建筑物高度的二次方成正比。

另外，对某一定高度建筑物而言，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2）轴向变形不容忽视。

高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响。

3）侧移成为控制指标。

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。

随着楼房高度的增加，水平荷载下结
构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

4）结构延性是重要设计指标。

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。

为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

高层建筑的风载与地震载设计一、引言随着城市化进程的不断加快，高层建筑在城市中的比重越来越大。

然而，高楼大厦所处的环境复杂多变，不仅需要承受自身重力荷载，还需要考虑外部因素对其产生的影响，其中风载和地震载是最为重要的两项。

本文将重点讨论高层建筑的风载和地震载设计原理及方法。

二、风载设计1. 风压计算方法风是高层建筑结构受力的重要外部因素之一，而风压则是描述风对建筑物外立面产生作用的力。

根据《GB50009-2012建筑结构荷载规范》等相关规范，风载通常分为静风压和动态风压两部分。

静风压是指风作用下建筑物所受的静态压力，一般可根据建筑物外形采用简化公式计算；动态风压则是指风速变化引起的压力波动，需要考虑更多复杂因素。

2. 风振问题除了直接的风压作用外，高层建筑还会因为风致使结构发生振动，即所谓的风振问题。

当风速较大时，如果结构频率与风激励频率接近甚至相等，就会导致共振现象发生，加剧了结构受力情况。

因此，在设计过程中需要对结构进行合理的抗风振设计，避免共振现象的发生。

三、地震载设计1. 地震波与地震烈度地震是另一个常见的自然灾害，对高层建筑的破坏性极大。

在地震设计中需要考虑到地震波对结构产生的作用。

通常地震波可通过地震烈度参数进行描述，建筑物所受地震作用取决于地震波传递到建筑物基础下时的幅值和频率内容。

2. 结构抗震设计结构抗震设计是为了保证建筑物在发生地震时有足够抵抗破坏的能力。

常见的抗震措施包括设置剪力墙、加固节点连接等。

此外，在设计过程中还应考虑土壤条件、楼层质量、柱网间距等因素对结构抗震性能的影响。

四、综合考虑与优化1. 风载与地震载的叠加效应高层建筑在实际情况下受到的是同时存在的多种荷载作用，包括自重、风荷载、地震荷载等。

这些荷载不仅会单独作用于结构上，并且还会相互影响产生复杂叠加效应，因此在设计时需要综合考虑各种荷载对结构安全性的影响。

2. 结构优化设计为了更好地确保高层建筑在复杂环境下的安全性能，工程师们往往还会进行结构优化设计。

基于规范的高层建筑风荷载与地震作用对比分析高层建筑在设计与施工过程中需要考虑到多种因素，其中包括风荷载与地震作用。

风荷载是指建筑物受到风的作用而产生的荷载，地震作用是指建筑物受到地震震动的影响而产生的荷载。

本文将基于规范对高层建筑的风荷载与地震作用进行比较分析。

首先，风荷载与地震作用的产生机理不同。

风荷载是由风向、风速、风压等因素决定的，而地震作用是由地震的震级、频率、振动周期等因素决定的。

风荷载作用于建筑物的外墙、屋顶等表面，而地震作用主要作用于建筑物的结构体系。

其次，风荷载与地震作用的特点也存在差异。

风荷载具有不均匀性和非静止性，即风的力量会不断变化，而且不同方向的风荷载也不同。

相比之下，地震作用具有不确定性和瞬时性，即地震会在短时间内产生瞬时的巨大力量。

风荷载对建筑物的作用是周期性的，而地震作用是一次性的。

此外，规范对于高层建筑的风荷载与地震作用有不同的计算方法和安全系数要求。

对于风荷载，规范一般采用了静力学方法进行计算，并根据建筑物的形状、高度、使用范围等参数来确定相应的风荷载系数。

而对于地震作用，规范会根据地震活动的频率、地震带的情况等因素，采用动力学方法来计算结构的地震反应，并要求建筑物在地震作用下具有足够的抗震安全储备。

最后，高层建筑的结构设计也存在差异。

为了能够承受风荷载和地震作用，高层建筑的结构体系通常采用了钢结构或混凝土结构，并结合适当的剪力墙、框架结构等来提高其抗风抗震能力。

而在设计时，需要根据规范对风荷载与地震作用的计算结果进行结构的优化设计，以确保高层建筑的安全性。

综上所述，高层建筑的风荷载与地震作用是设计与施工中需要考虑的重要因素。

虽然二者在产生机理、特点和计算方法上存在差异，但都要求建筑物具有足够的抗风抗震能力。

因此，在高层建筑的设计与施工过程中，需要根据规范对风荷载与地震作用进行合理的分析与比较，以确保建筑物的安全性。

高层建筑结构设计难点分析
高层建筑是如今城市中常见的建筑形式，其不仅可以提供更多的空间，同时也是城市
发展的标志。

由于高层建筑的结构设计需要考虑的因素较多，所以其设计难度也相对较大。

本文将从地基承载、风荷载、地震作用等方面分析高层建筑结构设计的难点。

一、地基承载
地基承载是高层建筑结构设计中的一大难点。

在选择地基承载方式时，需要考虑建筑
物的自重、荷载、地基土壤的承载力等因素。

地基土壤的承载力对地基承载能力起着至关
重要的作用。

不同地基土壤的承载力不同，所以需要根据实际情况进行地基土壤勘察，以
确定地基承载方式和地基基础结构。

高层建筑地基承载还需要考虑地铁、地下管线等因素
的影响，这些都会对地基承载产生一定的影响，需要结构设计师进行合理的考虑和设计。

二、风荷载
风荷载是高层建筑结构设计中的另一大难点。

由于高层建筑受到风力的作用，所以需
要考虑风荷载对建筑物的影响。

通常情况下，高层建筑结构设计中会对建筑物采取一些措
施来减小风荷载的影响，比如采用空气动力学设计、采用减震措施等。

高层建筑结构设计
中还会考虑到建筑的稳定性和抗风性能，这些也是结构设计中需要进行综合考虑的因素。

所以，在高层建筑结构设计中，风荷载是需要进行综合分析和设计的一大难点。

地基承载、风荷载、地震作用等因素都是高层建筑结构设计中的难点。

尽管如此，随
着科技的发展和建筑技术的不断进步，相信这些难点在未来会得到更好的解决。

相信在不
久的将来，高层建筑的结构设计将更加完善，也将为城市的发展和规划带来更多的可能。